книги из ГПНТБ / Арышенский Ю.М. Теория листовой штамповки анизотропных материалов

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШ ЕГО И-СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РСФСР

КУЙБЫШЕВСКИЙ ордена ТРУД О ВО ГО КРА СН О ГО ЗНАМ ЕНИ

АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ им. С. П. КОРОЛЕВА

Ю. М . А Р Ы Ш Е Н С К И Й

ТЕ О Р И Я ЛИСТОВОЙ Ш ТАМ ПОВКИ

АНИЗОТРОПНЫ Х М АТЕРИАЛОВ

Издательство Саратовского университёта

1 9 7 3

УДК 621.735

Jo3& А

В книге изложен ряд положений теории пластично­ сти анизотропных сред. Показаны особенности приме­ нения инженерных методов при обработке давлением ортотропных материалов. Проведен анализ конкрет­ ных операций листовой штамповки: гибки, обтяжки, вытяжки.

Илл. — 37. Табл. — 8 . Библ. — 50.

3-12-3 ПЗ-73

С ) Издательство Саратовского университета, 1973

В в е д е н и е

Многие детали современных машин и приборов изготавли­ ваются методами листовой штамповки. При этом используются металлы и сплавы различных структурных групп и марок. Большинство полуфабрикатов (листы, трубы, профили), полу­ ченных из этих материалов, обладают явно выраженной ани­ зотропией механических свойств. Особенно она характерна для

определенное влияние на технологические процессы изготовления изделий, в том числе и на операции листовой штамповки.

Однако влияние анизотропии оценить трудно, так как тех­ нологические расчеты, в основном, проводят по формулам тео­ рии пластичности изотропных сред. Применение этой теории позволяет упростить расчетные формулы, хотя подобная про­ стота может привести к грубым ошибкам, к неправильному вы­ бору параметров процесса. Особенно это относится к вопросам, связанным с определением предельных возможностей материа­ ла в тех или иных операциях обработки давлением.

Анализ опубликованных работ показал, что, во-первых, тео­ рия пластичности анизотропных тел разработана еще недоста­ точно полно. Многие вопросы требуют дальнейшего решения и совершенствования. Во-вторых, пока изучено ограниченное чис­ ло операций листовой штамповки анизотропных металлов, в основном, процессы вытяжки и частично — формовки и гибки. И, в-третьих* полученные, различными исследователями резуль­ таты не систематизированы в достаточной степени.

Решению этих проблем и посвящена данная работа.

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Aijim — компоненты материального тензора; _ 0 1 J — компоненты тензора напряжений;

3

Г л а в а I

ТЕОРИЯ ПЛАСТИЧНОСТИ АНИЗОТРОПНЫХ СРЕД

Он представляет собой скалярную величину, его единственная компонента а не меняет своего значения при преобразовании базиса (координатной системы). Поэтому тензор нулевого ран­ га называют также и н в а р и а н т о м .

В е к т о р — тензор первого ранга.'Его можно задать тремя числами Оь которые при переходе от одной прямоугольной систе­ мы координат к другой преобразуются по формуле а\=а\\а\, где а{\ — косинусы углов между новыми и старыми осями. Два

=(Х|'і ccj'j au .

Вкачестве примера рассмотрим преобразование компонент тензора напряжений:

5

Между тензорными и обычными обозначениями существуют следующие связи:

«и — а х \ о22 = 0У; о3з - а 12 = а21 = хх у И Т Д.

Направляющие косинусы задаются таблицей 1.

Между ними имеются такие соотношения [2]:

Их использование позволяет получить инварианты тензора напряжений, например: ax+(Ty+°rz = a ^ + 0J,'+ </.

В общем случае для того, чтобы совокупность величин а\\к...т была тензором, необходимо и достаточно, чтобы при пе­ реходе от одного ортонормированного базиса к другому она из­ менялась следующим образом:

Над тензором можно проводить определенные алгебраичес­ кие операции [3]:

Сложение и вычитание. При сложении и вычитании соответ­ ствующих компонент тензоров одинаковой валентности получает­ ся тензор той же валентности. Для тензоров разной валентности эта операция неприменима.

Умножение. Из тензоров валентности п и т можно составить тензор валентности п+/п, умножая каждую компоненту перво­ го тензора на каждую компоненту второго.

Свертывание. Любой тензор валентности п преобразуется в тензор валентности п—2, если обозначить два из его индексов одними и теми же буквами и затем суммировать по ним.

Объединяя операции умножения и свертывания заданных тензоров, можно задать тензоры различной валентности.

Тензорное исчисление оказалось очень полезным при изуче­

6

Свойства второго типа зависят от направления в материале, тело будет считаться анизотропным по отношению к ним. Эти свойства выражаются с помощью тензоров. В некоторых случа­ ях может оказаться, что отдельные характеристики, которые, во­ обще говоря, относятся ко второму типу, для конкретного тела будут одинаковыми во всех направлениях, и тогда оно является изотропным по отношению к ним. В качестве примера можно указать на модули упругости и пластичности изотропных сред, хотя в общем случае — это свойства второго типа.

Различают полевые и материальные тензоры. Первые из них не зависят от рассматриваемой среды и ее симметрии. В частно­ сти, к ним относятся тензоры напряжений и деформации. Один из них описывает внешнее воздействие на тело, а второй — его реакцию на это воздействие.

Материальные тензоры характеризуют свойства конкретного тела. Поэтому анизотропия механических свойств может быть выражена только с помощью материальных тензоров.

Это необходимо учитывать при анализе тензоров и нахож­ дении их инвариантов. Так, если рассматривается материаль­ ный тензор, то изменение его компонент при повороте осей не следует связывать, как это иногда делают, с полевым тензором. Преобразование составляющих тензора анизотропии нельзя ставить в зависимость от напряженного состояния. При всех видах напряженного состояния изменения компонент остаются одинаковыми.

§ I. 2. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К КРИТЕРИЯМ ПЛАСТИЧНОСТИ. РАБОТЫ Р. МИЗЕСА И Р. ХИЛЛА

Теория пластичности является одной из наиболее бурно развивающихся областей механики сплошных сред. С одной стороны, расширяется область применения теории, с Другой — происходит все более глубокое осмысливание ее основ [4]. В Со­ ветском Союзе и за рубежом большое внимание уделяется изу­ чению вопросов, связанных с теорией пластичности неоднород­ ных и анизотропных сред, т. е. сред, которые более реально отра­ жают действительное состояние материала.

Втеории пластичности, как и в теории упругости при мак­ роскопическом подходе, по существу, интересуются одними и теми же величинами, т. е. напряжениями, деформациями или их скоростями.

Общие принципы механики в предположении сплошности среды дают три уравнения для определения шести компонент тензора напряжений. Дополнительными уравнениями в упругой области служат уравнения закона Гука.

Впластической области раскрытие статической неопреде­ ленности задачи требует, во-первых, установления «критерия

7

пластичности», т. е. условия, дающего возможность определить то напряженное состояние, при достижении которого возникает пластическая деформация; во-вторых, получения «уравнений пластичности», т. е. уравнений, связывающих в каждой точке напряжения с деформациями или их скоростями. Они в пла­ стической области играют ту же роль, что и закон Гука для упругой области.

Необходимо подчеркнуть, что уравнения равновесия выра­ жаются через компоненты полевых тензоров; следовательно, они будут общими не только для материалов, находящихся в упру­ гом или пластическом состоянии, но и для изотропных и анизо­ тропных тел. Поэтому при разработке теории пластичности ос­ новное внимание уделяется уравнениям, которые описываются не только полевыми, но и материальными тензорами, т. е. тензо­ рами, характеризующими свойства среды. К таким величинам относятся «критерии пластйчности» и уравнения связи между напряжениями и деформациями (скоростями деформа­ ции).

Рассмотрим основные требования, предъявляемые к ним [3].

1.Критерий должен дать условие начала текучести для эле­ мента материала, находящегося в произвольно сложном напря­ женном состоянии.

2.В аналитическое выражение условия пластичности, поми­ мо компонент напряжений, должны входить величины, характе­

ризующие свойства металла.

3.Критерий должен иметь форму инварианта, образованного из компонент тензора напряжений и материального тензора.

4.Для того чтобы не была внутренне противоречива теория, все вытекающие из нее соотношения между константами мате­ риала должны быть инвариантными.

5.Должно быть дано правило пересчета показателей, харак­ теризующих свойства среды, при повороте координатной си­ стемы.

6.Критерий должен учитывать такие особенности материала, как различие пределов текучести на растяжение и сжатие, зави­ симость пределов на сдвиг от направления касательных напря­ жений.

Исходя из этих требований, можно проанализировать предло­ женные условия и теории пластичности-

Условия наступления пластического состояния для анизо­ тропных сред исследовались многими учеными. Однако из всех предложенных условий текучести наибольшее применение полу­ чил критерий Р. Мизеса. Согласно Р. Мизесу, критерий пластич­ ности при произвольной анизотропии должен быть представлен квадратичной функцией от напряжений. Позднее, поставив тре­ бование о том, что функция не должна быть зависимой от все­ стороннего равномерного давления, автор записал свое условие в следующем виде [5]:

8

три плоскости симметрии свойств. Во втором через каждую точ­ ку тела проходит плоскость, в которой все направления экви­ валентны.

У ортотропного материала, при отражении в плоскости сим­ метрии, коэффициенты анизотропии не должны менять своего значения. Поэтому, если рассматривать условие пластичности в

Далее, полагая, что при линейном растяжении вдоль главных осей анизотропии напряжение, начала пластических деформаций равно соответствующему пределу текучести, автор записывает

9